KR102066165B1 - Two-dimensional array ultrasonic wave sensor and method for acquiring three dimensional image using the same - Google Patents

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KR102066165B1 KR1020170160692A KR20170160692A KR102066165B1 KR 102066165 B1 KR102066165 B1 KR 102066165B1 KR 1020170160692 A KR1020170160692 A KR 1020170160692A KR 20170160692 A KR20170160692 A KR 20170160692A KR 102066165 B1 KR102066165 B1 KR 102066165B1
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Abstract

2차원 배열 초음파 센서 및 그를 이용한 3차원 영상 신호 획득 방법을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 2차원 배열 초음파 센서는 3차원 영상 획득을 위해, 피사체로 제1 초음파를 송신하고 피사체로부터 반사된 제2 초음파를 수신하는 2차원 초음파 센서에 있어서, m x n(이 때, m과 n은 2이상의 자연수 임)으로 배열되어, 상기 제1 초음파를 생성하거나 상기 제2 초음파를 수신하는 다수의 단위 셀들; 및 상기 m x n 배열의 로우(Row)들 각각에 대응되는 m개의 고전압 드라이버들을 포함하고, 상기 고전압 드라이버들 각각은 대응되는 로우(Row)를 구성하는 n개의 단위 셀들로 전압을 인가하는 2차원 초음파 센서를 제공하되, 송신 기능을 수행할 단위 셀이 포함된 로우(Row)의 모든 단위 셀들 중 송신 기능을 수행할 단위 셀을 제외한 다른 단위 셀 내의 초음파 트랜스듀서 타단을 플로팅(floating)시킴으로써, 소비 전력을 줄이는 2차원 초음파 센서를 제공한다.A two-dimensional array ultrasonic sensor and a three-dimensional image signal acquisition method using the same. According to an embodiment of the present invention, the two-dimensional array ultrasonic sensor, in the two-dimensional ultrasonic sensor for transmitting the first ultrasonic wave to the subject and receiving the second ultrasonic wave reflected from the subject to obtain a three-dimensional image, mxn (where m and n are two or more natural numbers), the plurality of unit cells generating the first ultrasound or receiving the second ultrasound; And m high voltage drivers corresponding to each of the rows of the mxn array, wherein each of the high voltage drivers applies a voltage to n unit cells constituting a corresponding row. However, among all the unit cells of a row including the unit cell to perform the transmission function, by floating the other end of the ultrasonic transducer in the other unit cell except the unit cell to perform the transmission function, power consumption is reduced It provides a two-dimensional ultrasonic sensor to reduce.

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Figure 112017118648549-pat00002

Description

2차원 배열 초음파 센서 및 그를 이용한 3차원 영상 신호 획득 방법{TWO-DIMENSIONAL ARRAY ULTRASONIC WAVE SENSOR AND METHOD FOR ACQUIRING THREE DIMENSIONAL IMAGE USING THE SAME}TWO-DIMENSIONAL ARRAY ULTRASONIC WAVE SENSOR AND METHOD FOR ACQUIRING THREE DIMENSIONAL IMAGE USING THE SAME}

본 발명은 2차원 배열 초음파 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3차원 초음파 영상획득을 위한 2차원 배열 초음파 센서 및 그를 이용한 3차원 영상 신호 획득 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a two-dimensional array ultrasonic sensor, and more particularly, to a two-dimensional array ultrasonic sensor for acquiring three-dimensional ultrasound image and a three-dimensional image signal acquisition method using the same.

고품질의 의료 영상을 획득하거나 지문 인식 센서를 구현하기 위해, 3차원 초음파 영상이 필요하고, 이를 위한 초음파 센서 기술이 활발히 개발되고 있다. In order to obtain a high quality medical image or to implement a fingerprint recognition sensor, a 3D ultrasound image is required, and an ultrasonic sensor technology for this is being actively developed.

3차원 초음파 영상을 얻기 위해서는 2차원(2-Dimensional, 이하 ‘2D’라 칭함)으로 배열된 초음파 센서가 필요하며, 높은 해상도를 얻기 위해 적은 면적에 많은 숫자의 단위 셀을 배열하여야 한다. 이에 따라 2D 배열 초음파 센서를 구현하기 위해, 많은 수(예컨대, 수백 ~ 수천 개)의 초음파 트랜스듀서(transducer)와 그 트랜스듀서(transducer)를 구동하는 송수신 회로가 필요하다. In order to obtain a three-dimensional ultrasound image, an ultrasonic sensor arranged in two dimensions (hereinafter referred to as '2D') is required, and a large number of unit cells must be arranged in a small area in order to obtain high resolution. Accordingly, in order to implement a 2D array ultrasonic sensor, a large number (eg, hundreds to thousands) of ultrasonic transducers and a transmission / reception circuit for driving the transducers are required.

단위 셀의 수가 많지 않은 종래의 초음파 센서의 경우 상기 초음파 트랜스듀서(transducer)와 송수신 회로를 선(wire)으로 연결하여 구현하였으나, 2D 배열 초음파 센서의 경우 단위 셀의 숫자가 너무 많아서 이러한 방법을 사용할 수 없다. 따라서, 2D 배열 초음파 센서는 초음파 트랜스듀서(transducer)와 송수신 회로를 직접 접합하거나, 송수신 회로가 구현된 반도체 금형(die) 위에 트랜스듀서를 직접 제작하는 방식 등으로 구현해야 한다. In the case of a conventional ultrasonic sensor in which the number of unit cells is not large, the ultrasonic transducer and the transmission / reception circuit are connected by wires, but in the case of a 2D array ultrasonic sensor, the number of unit cells is too large. Can't. Therefore, the 2D array ultrasonic sensor should be implemented by directly bonding an ultrasonic transducer and a transmission / reception circuit, or directly manufacturing a transducer on a semiconductor die in which the transmission / reception circuit is implemented.

이로 인해, 2D 배열 초음파 센서를 구현하기 위해서는, 트랜스듀서와 1;1로 매칭(pixel-to-pixel matching)되는 송수신 회로 셀 디자인이 필요하며, 셀 디자인시 다음과 같은 요건들을 만족해야 한다. For this reason, in order to implement a 2D array ultrasonic sensor, a transceiving circuit cell design that is pixel-to-pixel matching with the transducer is required, and the following requirements must be satisfied when designing the cell.

먼저, 지정맥이나 지문 검출을 위한 초음파 센서를 구현하기 위해서는 해상도를 높이기 위해 각 단위 셀 크기를 최소화하는 방향으로 셀 디자인을 해야 하고, 모바일이나 웨어러블 기기에 사용되는 초음파 센서를 구현하기 위해서는 소모전력을 최소화하는 방향으로 셀 디자인을 해야 한다. 또한, 2D 배열 초음파 센서는 동일한 트랜스듀서를 사용하여 초음파 신호의 송신과 수신을 수행하기 때문에, 송신회로와 수신회로를 분리해줄 수 있는 회로를 필요로 한다. First, in order to implement an ultrasonic sensor for finger vein or fingerprint detection, the cell must be designed in the direction of minimizing the unit cell size in order to increase the resolution, and in order to implement an ultrasonic sensor used in a mobile or wearable device, power consumption is required. Cell design should be done in the direction of minimization. In addition, since the 2D array ultrasonic sensor transmits and receives an ultrasonic signal using the same transducer, a 2D array ultrasonic sensor requires a circuit capable of separating the transmitting circuit and the receiving circuit.

하지만, 트랜스듀서를 구동하기 위해서는 일반적으로 높은 전압(예컨대, 15V 이상)이 필요하며, 이를 위해, 고전압을 견딜 수 있는 고전압 트랜지스터(high voltage transistor)가 필요한데, 고전압을 견디는 소자 구현을 위해 큰 면적을 사용하여야 한다. 또한, 동적 전압 소모는 구동 전압에 비례하기 때문에(P=CV2f) 많은 전력을 사용해야 한다. 게다가, 트랜스듀서에서 수신된 초음파 신호를 처리하기 위해서는 전단에 저잡음 증폭기 회로가 필요한데, 이를 구현하기 위해 많은 전력과 큰 면적을 사용하여야 한다. However, driving a transducer typically requires a high voltage (eg, 15V or higher), which requires a high voltage transistor that can withstand high voltages. Should be used. Also, because dynamic voltage consumption is proportional to the driving voltage (P = CV 2 f), a lot of power must be used. In addition, low noise amplifier circuits are required at the front end to process the ultrasonic signals received from the transducers, which require a large amount of power and a large area.

도 1은 종래의 실시 예에 따라 구현된 2D 배열 초음파 센서의 예들을 도시하고 있다. 특히, 도 1에서는 2 x 2 배열의 예를 도시하고 있다. 1 illustrates examples of a 2D array ultrasonic sensor implemented according to a conventional embodiment. In particular, FIG. 1 shows an example of a 2 × 2 arrangement.

도 1의 (a)는 종래의 제1 실시 예에 따라 구현된 2D 배열 초음파 센서의 예로서, 도 1의 (a)를 참조하면, 종래의 제1 실시 예에 따라 구현된 2D 배열 초음파 센서(이하, ‘종래의 제1 실시 예’라 칭함)(10)는 단위 셀(A) 내부에 2개의 고전압 스위치(High voltage switch)들(11)과, 트랜스듀서(12)를 포함한다. 그리고, 상기 2개의 고전압 스위치(High voltage switch)들(11)의 온/오프를 제어함으로써 각 로우(Row) 별로 하나씩 공유된 송신기(HV driver)(13)와 수신기(LNA)(14)를 특정 컬럼(column)과 연결시킨다. 따라서, 해당 컬럼(column)에 독립적으로 송/수신이 가능하도록 한다. 이러한 종래의 제1 실시 예는 단위 셀(A) 내부에 2개의 고전압 스위치(High voltage switch)들(11)을 사용하기 때문에 단위 셀의 크기가 커지는 단점이 있다. 또한, 각 로우(Row) 별로 하나의 송신기(13)와 수신기(14)를 공유하기 위해, 이를 연결하는 긴 전송선이 필요한데, 이러한 긴 전송선은 노이즈 커플링(noise coupling)에 매우 취약하여 저잡음 특성이 좋지 않은 단점이 있다. FIG. 1A illustrates an example of a 2D array ultrasonic sensor implemented according to a first embodiment of the present disclosure. Referring to FIG. 1A, the 2D array ultrasonic sensor implemented according to the first embodiment of the present disclosure may be Hereinafter, referred to as a 'first conventional embodiment' 10 includes two high voltage switches 11 and a transducer 12 inside the unit cell A. In addition, by controlling the on / off of the two high voltage switches 11, a shared transmitter (HV driver) 13 and a receiver (LNA) 14 are specified, one for each row. Connect with a column Therefore, it is possible to transmit / receive independently of the corresponding column. The first exemplary embodiment of the related art has a disadvantage in that the size of a unit cell is increased because two high voltage switches 11 are used in the unit cell A. In addition, in order to share one transmitter 13 and the receiver 14 for each row, a long transmission line connecting them is required, and the long transmission line is very vulnerable to noise coupling, and thus has a low noise characteristic. There is a disadvantage.

도 1의 (b)는 종래의 제2 실시 예에 따라 구현된 2D 배열 초음파 센서의 예로서, 도 1의 (b)를 참조하면, 종래의 제2 실시 예에 따라 구현된 2D 배열 초음파 센서(이하, ‘종래의 제2 실시 예’라 칭함)(20)는 단위 셀(B) 내부에 고전압 스위치(High voltage switch)(21)와, 트랜스듀서(22)와, 송신기(HV driver)(23), 수신기(LNA)(24)와, 지연기(Delayer)(25)를 집적하였다. 이 경우, 도 1의 (a)에 예시된 종래의 제1 실시 예에 비해서 저잡음 특성이 개선되는 장점이 있지만, 단위 셀 사이즈가 커진다는 단점이 있다. FIG. 1B illustrates an example of a 2D array ultrasonic sensor implemented according to the second exemplary embodiment. Referring to FIG. 1B, the 2D array ultrasonic sensor implemented according to the second exemplary embodiment Hereinafter, referred to as a 'second conventional embodiment' 20 is a high voltage switch 21, a transducer 22, a transmitter (HV driver) 23 inside a unit cell B. ), A receiver (LNA) 24 and a delay layer 25 are integrated. In this case, there is an advantage that the low noise characteristics are improved as compared to the first embodiment of the prior art illustrated in FIG. 1A, but there is a disadvantage that the unit cell size is increased.

도 1의 (c)는 종래의 제3 실시 예에 따라 구현된 2D 배열 초음파 센서의 예로서, 도 1의 (c)를 참조하면, 종래의 제3 실시 예에 따라 구현된 2D 배열 초음파 센서(이하, ‘종래의 제3 실시 예’라 칭함)(30)는 각 셀(C) 내부에 수신기 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)(31)와, 그 입/출력단에 각각 연결된 저전압 스위치(32, 33)와, 트랜스듀서(34)를 포함하고, 로우(Row) 단위로 공유되는 송신기(H/V driver)(35)가 고전압 스위치(36)를 통해 각 셀들의 트랜스듀서(34)와 연결된다.FIG. 1C illustrates an example of a 2D array ultrasonic sensor implemented according to a third exemplary embodiment. Referring to FIG. 1C, the 2D array ultrasonic sensor implemented according to the third exemplary embodiment Hereinafter, referred to as a 'third embodiment' 30, a receiver Low Noise Amplifier (LNA) 31 inside each cell C and a low voltage switch 32 connected to the input / output terminals thereof, respectively. 33, and a transmitter (H / V driver) 35, which includes a transducer 34 and is shared in a row unit, is connected to the transducer 34 of each cell through the high voltage switch 36. do.

2D 배열 초음파 센서가 신호를 수신할 때에는 저잡음 증폭기(31)의 출력단에 연결된 저전압 스위치(32)가 저잡음 증폭기(31)의 출력을 해당 로우의 수신단으로 전달하고, 트랜스듀서 2단에 연결된 저전압 스위치(33)가 저잡음 증폭기(31)의 입력단에 연결되어 트랜스듀서(34)에서 수신된 신호가 저잡음 증폭기(31)를 통하여 해당 로우의 수신단으로 전달된다. 반대로 신호를 송신할 때에는 트랜스듀서 2단에 연결된 저전압 스위치(33)가 트랜스듀서 2단을 그라운드에 연결함으로써 해당 로우(Row)에 연결된 모든 트랜스듀서를 동작시킨다.When the 2D array ultrasonic sensor receives a signal, the low voltage switch 32 connected to the output of the low noise amplifier 31 transfers the output of the low noise amplifier 31 to the receiver of the corresponding row, and the low voltage switch connected to the second stage of the transducer ( 33 is connected to the input of the low noise amplifier 31 so that the signal received at the transducer 34 is transmitted through the low noise amplifier 31 to the receiving end of the row. On the contrary, when transmitting a signal, the low voltage switch 33 connected to the second stage of the transducer operates all the transducers connected to the corresponding row by connecting the second stage of the transducer to ground.

이 경우, 셀 내부에, 저잡음 증폭기(31)을 포함하므로 저잡음 특성이 향상되고, 고전압 스위치를 사용할 필요가 없기 때문에 단위 셀 면적을 최소화하는 장점이 있다. 하지만, 송신기가 로우(Row)에 연결된 모든 트랜스듀서를 동작시키기 때문에 로우(Row)에 연결된 단위 셀의 개수가 비례하여 각 송신기가 구동하는 커패시터(capacitor) 크기가 커져서 송신기의 전력소모가 매우 큰 단점이 있다.In this case, since the low noise amplifier 31 is included inside the cell, the low noise characteristic is improved, and since there is no need to use a high voltage switch, there is an advantage of minimizing the unit cell area. However, since the transmitter operates all the transducers connected to the row, the number of unit cells connected to the row is proportional, so that the size of a capacitor driven by each transmitter increases, so the power consumption of the transmitter is very large. There is this.

1. E. Kang, et. Al., “A Reconfigurable 24 x 40 Element Transceiver ASIC for compace 3D medical Ultrasound Probes” ESSCIRC 2017E. Kang, et. Al., “A Reconfigurable 24 x 40 Element Transceiver ASIC for compace 3D medical Ultrasound Probes” ESSCIRC 2017 2. Yusaku Katsube, et. Al., “Single-Chip 3072ch 2D Array IC with RX Analog and All-digital TX Beamformer for 3D Ultrasound Imaging” ISSCC 20172. Yusaku Katsube, et. Al., “Single-Chip 3072ch 2D Array IC with RX Analog and All-digital TX Beamformer for 3D Ultrasound Imaging” ISSCC 2017 3. Hao-Yen Tang, et. Al., “3D Ultrasonic Finger Sensor-on-a Chip”, ISSCC 20163. Hao-Yen Tang, et. Al., “3D Ultrasonic Finger Sensor-on-a Chip”, ISSCC 2016

따라서 본 발명은 단위 셀의 크기를 최소화함으로써, 높은 해상도를 유지하면서도 소형화가 가능한 2차원 배열 초음파 센서 및 그를 이용한 3차원 영상 신호 획득 방법을 제공하고자 한다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a two-dimensional array ultrasonic sensor capable of miniaturization while maintaining a high resolution by minimizing the size of a unit cell and a method of obtaining a three-dimensional image signal using the same.

또한, 본 발명은 전력소모를 최소화하여 모바일 또는 웨어러블 기기에서도 용이하게 사용할 수 있는 2차원 배열 초음파 센서 및 그를 이용한 3차원 영상 신호 획득 방법을 제공하고자 한다. In addition, the present invention is to provide a two-dimensional array ultrasonic sensor and a three-dimensional image signal acquisition method using the same that can be easily used in a mobile or wearable device to minimize the power consumption.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 2차원 배열 초음파 센서는 3차원 영상 획득을 위해, 피사체로 제1 초음파를 송신하고 피사체로부터 반사된 제2 초음파를 수신하는 2차원 초음파 센서에 있어서, m x n(이 때, m과 n은 2이상의 자연수 임)으로 배열되어, 상기 제1 초음파를 생성하거나 상기 제2 초음파를 수신하는 다수의 단위 셀들; 및 상기 m x n 배열의 로우(Row)들 각각에 대응되는 m개의 고전압 드라이버들을 포함하고, 상기 고전압 드라이버들 각각은 대응되는 로우(Row)를 구성하는 n개의 단위 셀들로 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the two-dimensional array ultrasonic sensor provided by the present invention in the two-dimensional ultrasonic sensor for transmitting the first ultrasonic wave to the subject and receiving the second ultrasonic wave reflected from the subject to obtain a three-dimensional image, a plurality of unit cells arranged in mxn (where m and n are two or more natural numbers) to generate the first ultrasound or to receive the second ultrasound; And m high voltage drivers corresponding to each of the rows of the mxn array, wherein each of the high voltage drivers applies a voltage to n unit cells constituting a corresponding row. .

이 때, 상기 다수의 단위 셀들 각각은 일단이 상기 고전압 드라이버의 출력단에 연결되어 상기 고전압 드라이버로부터 고전압이 인가되면 상기 제1 초음파를 생성하고, 상기 제2 초음파가 수신되면 그에 응답하여 3차원 영상 획득을 위한 전기적 펄스를 생성하는 초음파 트랜스듀서; 상기 트랜스듀서에서 생성된 전기적 펄스를 증폭해서 출력하는 저잡음 증폭기; 상기 저잡음 증폭기의 입력단과 접지 사이의 연결을 제어하는 제1 저전압 스위치; 상기 저잡음 증폭기의 출력단과, 로우(Row)별로 다르게 형성된 수신라인들 중 해당 단위 셀이 포함된 로우(Row)의 수신라인 간 연결을 제어하는 제2 저전압 스위치; 및 상기 트랜스듀서의 타단과 상기 저잡음 증폭기의 입력단의 연결을 제어하는 고전압 스위치를 포함하는 것이 바람직하다. In this case, each of the plurality of unit cells has one end connected to an output terminal of the high voltage driver to generate the first ultrasound when a high voltage is applied from the high voltage driver, and acquire a 3D image in response to the second ultrasound. Ultrasonic transducer for generating an electrical pulse for the; A low noise amplifier for amplifying and outputting an electrical pulse generated by the transducer; A first low voltage switch controlling a connection between an input terminal of the low noise amplifier and a ground; A second low voltage switch controlling a connection between an output terminal of the low noise amplifier and a reception line of a row including a corresponding unit cell among reception lines formed differently for each row; And a high voltage switch for controlling the connection of the other end of the transducer to the input end of the low noise amplifier.

또한, 상기 2차원 초음파 센서는 미리 설정된 동작 프로그램 또는 외부 조작신호에 의거하여, 상기 m개의 고전압 드라이버들 각각의 출력값과, 상기 단위 셀을 구성하는 제1 및 제2 저전압 스위치와, 상기 고전압 스위치 각각의 온/오프를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.The two-dimensional ultrasonic sensor may further include an output value of each of the m high voltage drivers, first and second low voltage switches constituting the unit cell, and the high voltage switch, respectively, based on a preset operation program or an external operation signal. It is preferable to further include a control unit for controlling the on / off of.

또한, 상기 제어부는 상기 m개의 고전압 드라이버들 각각의 출력값을 0V 또는 고전압(예컨대, 15V 이상)으로 설정하되, 상기 m개의 고전압 드라이버들 각각의 출력값을 모두 동일하게 또는 선택적으로 동일하게 설정하는 것이 바람직하다.The controller may set the output value of each of the m high voltage drivers to 0 V or a high voltage (eg, 15 V or more), but set the output values of each of the m high voltage drivers to be the same or selectively the same. Do.

또한, 상기 제어부는 수신기능을 처리할 단위 셀들로 구성된 로우(Row)에 대응된 고전압 드라이버의 출력값을 0V로 설정하고, 송신기능을 처리할 단위 셀들로 구성된 로우(Row)에 대응된 고전압 드라이버의 출력값을 펄스 신호로 설정하는 것이 바람직하다.The controller may set an output value of a high voltage driver corresponding to a row including unit cells to process a reception function to 0V, and set the output value of the high voltage driver corresponding to a row including unit cells to process a transmission function. It is preferable to set the output value to a pulse signal.

또한, 상기 제어부는 상기 단위 셀들의 기능에 따라 해당 셀을 구성하는 제1 및 제2 저전압 스위치와, 상기 고전압 스위치 각각의 온/오프를 제어하는 것이 바람직하다. The controller may control the first and second low voltage switches constituting the corresponding cell and the on / off of each of the high voltage switches according to the function of the unit cells.

또한, 상기 제어부는 상기 단위 셀들 중 수신기능을 처리할 셀들의 고전압 스위치와 상기 제2 저전압 스위치를 ‘온’시키고, 상기 제1 저전압 스위치를 ‘오프’시키는 것이 바람직하다. In addition, the controller 'turns on' the high voltage switch and the second low voltage switch of the cells to process the reception function among the unit cells, and 'turns off' the first low voltage switch.

또한, 상기 제어부는 상기 단위 셀들 중 송신기능을 처리할 셀들의 고전압 스위치와 상기 제1 저전압 스위치를 ‘온’시키고, 상기 제2 저전압 스위치를 ‘오프’시키는 것이 바람직하다.In addition, the controller 'turns on' the high voltage switch and the first low voltage switch of the cells that will process the transmission function among the unit cells, and 'turns off' the second low voltage switch.

본 발명은 단위 셀의 크기를 최소화함으로써, 3차원 영상 신호를 획득하기 위한 초음파 센서에 있어서, 셀 내부에 저잡음 증폭기를 포함시키고, 고전압 스위치를 하나만 사용함으로써, 저전압 특성을 향상시키면서 전력 소모 및 셀 면적을 최소화할 수 있다. 이로 인해, 본 발명은 높은 해상도를 유지하면서도 소형으로 구현할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, an ultrasonic sensor for acquiring a three-dimensional image signal by minimizing the size of a unit cell includes a low noise amplifier inside a cell and uses only one high voltage switch to improve power consumption and cell area while improving low voltage characteristics. Can be minimized. Because of this, the present invention has the advantage that can be implemented in a small while maintaining a high resolution.

또한, 본 발명은 전력소모를 최소화하여 모바일 또는 웨어러블 기기에서도 용이하게 사용할 수 있는 초음파 센서를 구현할 수 있다.In addition, the present invention can implement an ultrasonic sensor that can be easily used in a mobile or wearable device by minimizing power consumption.

도 1은 종래의 실시 예에 따라 구현된 2D 배열 초음파 센서의 예들을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 2D 배열 초음파 센서의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 단위 셀의 구성 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 2D 배열 초음파 센서를 이용하여 3차원 영상 신호를 획득하기 위한 처리 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 2D 배열 초음파 센서와 종래의 실시 예에 따라 구현된 2D 배열 초음파 센서의 동작 특성을 비교한 그래프이다.
1 is a diagram illustrating examples of a 2D array ultrasonic sensor implemented according to a conventional embodiment.
2 is a diagram illustrating an example of a 2D array ultrasonic sensor according to an exemplary embodiment.
3 is a diagram illustrating a configuration example of a unit cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a process of obtaining a 3D image signal using a 2D array ultrasonic sensor according to an exemplary embodiment.
5 is a graph comparing operating characteristics of a 2D array ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention and a 2D array ultrasonic sensor implemented according to a conventional embodiment.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the drawings, similar reference numerals are used for similar elements.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. The term and / or includes a combination of a plurality of related items or any item of a plurality of related items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 2D 배열 초음파 센서의 예를 도시한 도면이다. 2 is a diagram illustrating an example of a 2D array ultrasonic sensor according to an exemplary embodiment.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 2D 배열 초음파 센서(100)는 3차원 영상 획득을 위해, 피사체로 제1 초음파를 송신하고 피사체로부터 반사된 제2 초음파를 수신하는데, 이를 위해, 2차원으로 배열된 다수의 단위 셀들(110)과, 다수의 고전압 드라이버들(120, 121)을 포함한다.Referring to FIG. 2, the 2D array ultrasonic sensor 100 according to an exemplary embodiment of the present invention transmits a first ultrasonic wave to a subject and receives a second ultrasonic wave reflected from the subject to acquire a 3D image. , A plurality of unit cells 110 arranged in two dimensions, and a plurality of high voltage drivers 120 and 121.

2차원으로 배열된 다수의 단위 셀들(110)은 m x n(이 때, m과 n은 2이상의 자연수 임)으로 배열되어, 상기 제1 초음파를 생성하거나 상기 제2 초음파를 수신한다. 즉, 상기 단위 셀들(110) 각각은 외부에서 입력되는 제어신호에 의해 송신셀 또는 수신셀로 동작하게 된다. 도 2의 예에서는, 2 x 2 배열의 경우를 예시한다. The plurality of unit cells 110 arranged in two dimensions are arranged in m x n (where m and n are two or more natural numbers) to generate the first ultrasound or receive the second ultrasound. That is, each of the unit cells 110 operates as a transmitting cell or a receiving cell by a control signal input from the outside. In the example of FIG. 2, the case of a 2 × 2 array is illustrated.

고전압 드라이버(120, 121)는 상기 2차원 배열의 로우(Row)들 각각에 대응된다. 따라서, m x n 배열의 단위 셀들로 구성된 초음파 센서의 경우 m개의 고전압 드라이버들을 포함한다. 도 2는 2 x 2 배열의 단위 셀들(110)로 구성된 초음파 센서(100)의 예를 도시하므로, 도 2에 예시된 초음파 센서(100)는 2개의 고전압 드라이버들(120, 121)을 포함한다. 이와 같이 로우(Row)들 각각에 대응된 고전압 드라이버들(120, 121)은 해당 로우(Row)를 구성하는 단위 셀들에 의해 공유되고, 단위 셀들(110) 외부에서 해당 셀들로 전압을 인가한다. 도 2의 예에서, 고전압 드라이버(120)는 셀#1과 셀#2에 의해 공유되고 셀#1과 셀#2로 전압을 인가하며, 고전압 드라이버(121)는 셀#3과 셀#4에 의해 공유되고 셀#3과 셀#4로 전압을 인가한다. The high voltage drivers 120 and 121 correspond to each of the rows of the two-dimensional array. Thus, an ultrasonic sensor composed of unit cells of an m x n array includes m high voltage drivers. FIG. 2 shows an example of an ultrasonic sensor 100 composed of unit cells 110 in a 2 × 2 arrangement, so the ultrasonic sensor 100 illustrated in FIG. 2 includes two high voltage drivers 120 and 121. . As such, the high voltage drivers 120 and 121 corresponding to each of the rows are shared by the unit cells constituting the corresponding row, and the voltage is applied to the corresponding cells from outside the unit cells 110. In the example of FIG. 2, high voltage driver 120 is shared by cells # 1 and # 2 and applies a voltage to cells # 1 and # 2, and high voltage driver 121 is applied to cells # 3 and # 4. Is shared by and applies a voltage to cells # 3 and # 4.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 단위 셀의 구성 예를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 단위 셀(200)은 트랜스듀서(210), 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)(220), 제1 및 제2 저전압 스위치(230, 240), 고전압 스위치(250)를 포함한다. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a unit cell according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, a unit cell 200 according to an embodiment of the present invention includes a transducer 210, a low noise amplifier (LNA) 220, first and second low voltage switches 230 and 240. ), The high voltage switch 250.

트랜스듀서(210)는 피사체로 전송되어질 제1 초음파를 생성하거나 피사체로부터 반사된 제2 초음파에 응답하여 대응된 전기적 펄스를 생성한다. 이를 위해, 트랜스듀서(210)는 일단이 고전압 드라이버(도 1의 ‘120 또는 121’, 이하에서는 ‘120’인 경우만을 예로 들어 설명함)의 출력단에 연결되고, 타단이 고전압 스위치(250)에 연결된다. 이러한 트랜스듀서(210)는, 해당 단위 셀(200)이 송신셀로 동작하는 경우 고전압 드라이버(도 1의 ‘120’)로부터 인가된 고전압에 응답하여 상기 제1 초음파를 생성하여 출력하고, 해당 단위 셀(200)이 수신셀로 동작하는 경우 피사체로부터 반사된 제2 초음파에 응답하여 3차원 영상 획득을 위한 전기적 펄스를 생성한다. The transducer 210 generates a first ultrasound to be transmitted to the subject or generates a corresponding electrical pulse in response to the second ultrasound reflected from the subject. To this end, the transducer 210 has one end connected to the output terminal of the high voltage driver (only described as an example of '120 or 121', hereinafter '120' in Figure 1), the other end is connected to the high voltage switch 250 Connected. The transducer 210 generates and outputs the first ultrasonic wave in response to a high voltage applied from a high voltage driver ('120' in FIG. 1) when the corresponding unit cell 200 operates as a transmitting cell, and outputs the corresponding unit. When the cell 200 operates as a reception cell, the cell 200 generates an electrical pulse for acquiring a 3D image in response to the second ultrasonic waves reflected from the subject.

저잡음 증폭기(220)는 트랜스듀서(210)에서 생성된 전기적 펄스를 증폭해서 출력한다.The low noise amplifier 220 amplifies and outputs an electrical pulse generated by the transducer 210.

제1 저전압 스위치(230)는 저잡음 증폭기(220)의 입력단과 접지 사이의 연결을 제어하고, 제2 저전압 스위치(240)는 저잡음 증폭기(220)의 출력단과 수신라인간의 연결을 제어한다. 이 때, 수신라인은 로우(Row)별로 다르게 형성되는데, 제2 저전압 스위치(240)는 해당 단위 셀(200)이 포함된 로우(Row)의 수신라인과 저잡음 증폭기(220)의 출력단 사이의 연결을 제어한다.The first low voltage switch 230 controls the connection between the input terminal of the low noise amplifier 220 and the ground, and the second low voltage switch 240 controls the connection between the output terminal of the low noise amplifier 220 and the receiving line. At this time, the receiving line is formed differently for each row, and the second low voltage switch 240 is connected between the receiving line of the row including the corresponding unit cell 200 and the output terminal of the low noise amplifier 220. To control.

고전압 스위치(250)는 트랜스듀서(210)의 타단과 저잡음 증폭기(220)의 입력단 간의 연결을 제어한다. The high voltage switch 250 controls the connection between the other end of the transducer 210 and the input end of the low noise amplifier 220.

이 때, 상기 스위치들(230 내지 250)은 해당 단위 셀(200)의 기능을 결정하는 역할을 한다. 즉, 상기 스위치들(230 내지 250)은 외부의 제어를 받아 해당 단위 셀(200)이 송신셀로 동작할지 수신셀로 동작할지를 결정한다. In this case, the switches 230 to 250 serve to determine the function of the corresponding unit cell 200. That is, the switches 230 to 250 determine whether the corresponding unit cell 200 operates as a transmitting cell or a receiving cell under external control.

이를 위해, 본 발명의 2차원 초음파 센서(100)는, 미리 설정된 동작 프로그램 또는 외부 조작신호에 의거하여, 상기 스위치들(230 내지 250)의 온/오프 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함하는 것이 바람직하다. To this end, the two-dimensional ultrasonic sensor 100 of the present invention, the control unit (not shown) for controlling the on / off operation of the switches 230 to 250 based on a preset operation program or an external operation signal. It is preferable to include.

이 때, 상기 제어부(미도시)는, m x n 배열의 단위 셀들로 구성된 2차원 초음파 센서에 포함된, m개의 고전압 드라이버들 각각의 출력값을 결정할 수 있다. 즉, 상기 제어부(미도시)는 상기 m개의 고전압 드라이버들 각각의 출력값을 0V 또는 고전압으로 설정할 수 있다. 구체적인 예를 들면 신호를 송신할 때는 선택된 로우의 고전압 드라이버는 0V와 고전압을 오가는 펄스 신호를 출력해서 고전압 펄스 신호가 트랜스듀서의 진동을 만들어내어 초음파 신호를 생성할 수 있다. 반대로 신호를 송신하지 않는 경우나 수신할 때에는 고전압 드라이버의 출력은 0V로 설정할 수 있다. 이는 단위 셀들의 기능이 상기 스위치들(230 내지 250)의 온/오프 동작과 상기 고전압 드라이버들의 출력값에 의해 결정되기 때문이다. In this case, the controller (not shown) may determine the output value of each of the m high voltage drivers included in the two-dimensional ultrasonic sensor composed of the unit cells of the m x n array. That is, the controller (not shown) may set the output value of each of the m high voltage drivers to 0V or high voltage. For example, when transmitting a signal, a high voltage driver of a selected row may output a pulse signal between 0 V and a high voltage so that the high voltage pulse signal may generate vibration of the transducer to generate an ultrasonic signal. Conversely, when no signal is being sent or received, the output of the high voltage driver can be set to 0V. This is because the function of the unit cells is determined by the on / off operation of the switches 230 to 250 and the output value of the high voltage drivers.

상기 제어부(미도시)는, 2차원 초음파 센서의 수신기능을 제어하기 위해, 2차원 초음파 센서를 구성하는 m x n 배열의 단위 셀들 중, 수신기능을 수행할 단위 셀들로 구성된 로우(Row)에 대응된, 고전압 드라이버의 출력값을 0V로 설정하고, 상기 수신기능을 처리할 셀들 내부의 고전압 스위치와 상기 제2 저전압 스위치를 ‘온’으로, 상기 제1 저전압 스위치를 ‘오프’로 제어한다. 예를 들어, 도 2에 예시된 단위 셀(200)이 도 1의 셀 #1이고, 단위 셀(200)이 수신기능을 수행하여야 하는 경우, 제어부(미도시)는 고전압 스위치(250)를 ‘온’시키고, 제1 저전압 스위치(230)는 ‘오프’시켜서 트랜스듀서(210)의 타단과 저잡음 증폭기(220)의 입력단을 연결하고, 제2 저전압 스위치(240)를 ‘온’시켜서 저잡음 증폭기(220)의 출력단과 해당열의 수신라인(RX<0>)을 연결한다. 그리고, 고전압 드라이버(120)의 출력값을 0V로 설정하여 트랜스듀서(210)의 일단에 0V가 인가되도록 한다. 그러면, 트랜스듀서(210)에서 감지된 신호(즉, 피사체에서 반사된 제2 초음파)가 저잡음 증폭기(220)를 통해 증폭된 후 수신라인(RX<0>)으로 전달된다. The controller (not shown) corresponds to a row composed of unit cells to perform a receiving function among unit cells of an mxn array constituting the 2D ultrasonic sensor to control a receiving function of the 2D ultrasonic sensor. The output value of the high voltage driver is set to 0 V, and the high voltage switch and the second low voltage switch inside the cells to process the reception function are 'on' and the first low voltage switch is controlled to 'off'. For example, when the unit cell 200 illustrated in FIG. 2 is cell # 1 of FIG. 1, and the unit cell 200 needs to perform a reception function, the controller (not shown) may turn the high voltage switch 250 on the ' 'On', the first low voltage switch 230 is 'off' to connect the other end of the transducer 210 and the input terminal of the low noise amplifier 220, and 'on' the second low voltage switch 240 to turn on the low noise amplifier ( Connect the output terminal of 220 to the receiving line RX <0> of the corresponding column. Then, the output value of the high voltage driver 120 is set to 0V so that 0V is applied to one end of the transducer 210. Then, the signal sensed by the transducer 210 (that is, the second ultrasonic wave reflected from the subject) is amplified by the low noise amplifier 220 and then transferred to the receiving line RX <0>.

한편, 상기 제어부(미도시)는, 2차원 초음파 센서의 송신기능을 제어하기 위해, 2차원 초음파 센서를 구성하는 m x n 배열의 단위 셀들 중, 송신기능을 수행할 단위 셀들 내부의 고전압 스위치와 상기 제1 저전압 스위치를 ‘온’으로, 상기 제2 저전압 스위치를 ‘오프’로 제어한다. 이 때, 송신기능을 수행할 단위 셀들 이외의 단위 셀들 내부의 고전압 스위치는 ‘오프’로 제어한다. 이는 트랜스듀서의 일단에 고전압이 인가된다 하여도, 타단이 플로팅(floating)되어 고전압 드라이버의 부하(load)로 작용하지 않도록 하기 위함이다. 예를 들어, 도 2에 예시된 단위 셀(200)이 도 1의 셀 #3이고, 단위 셀(200)이 송신기능을 수행하여야 하는 경우, 제어부(미도시)는 고전압 스위치(250)와 제1 저전압 스위치(230)를 ‘온’시키고, 제2 저전압 스위치를 ‘오프’시켜서 트랜스듀서(210)의 타단이 0V로 제어되도록 한다. 그리고 고전압 드라이버(121)의 출력값은 0V와 고전압을 오가는 펄스 출력을 가하여 트랜스듀서의 진동을 통해 피사체로 전송할 제1 초음파를 생성하게 된다. On the other hand, the controller (not shown), in order to control the transmission function of the two-dimensional ultrasonic sensor, of the unit cells of the mxn array constituting the two-dimensional ultrasonic sensor, the high voltage switch and the first inside the unit cells to perform the transmission function The low voltage switch is controlled to 'on' and the second low voltage switch is controlled to 'off'. At this time, the high voltage switch inside the unit cells other than the unit cells to perform the transmission function is controlled to be 'off'. This is so that even if a high voltage is applied to one end of the transducer, the other end is floated so that it does not act as a load of the high voltage driver. For example, when the unit cell 200 illustrated in FIG. 2 is cell # 3 of FIG. 1 and the unit cell 200 needs to perform a transmission function, the controller (not shown) may control the high voltage switch 250. The first low voltage switch 230 is 'on' and the second low voltage switch is 'off' so that the other end of the transducer 210 is controlled to 0V. The output value of the high voltage driver 121 applies a pulse output between 0 V and the high voltage to generate the first ultrasound to be transmitted to the subject through vibration of the transducer.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 2D 배열 초음파 센서를 이용하여 3차원 영상 신호를 획득하기 위한 처리 흐름도이다. 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 2D 배열 초음파 센서를 이용한 3차원 영상 신호 획득 방법은 다음과 같다. 4 is a flowchart illustrating a process of obtaining a 3D image signal using a 2D array ultrasonic sensor according to an exemplary embodiment. 2 to 4, a method of obtaining a 3D image signal using the 2D array ultrasonic sensor of the present invention is as follows.

이 때, 이하에서는, 본 발명의 2D 배열 초음파 센서는 제어부(미도시)의 제어를 받아 동작하며, 2 x 2 배열이고, 첫 번째 열에 포함된 셀들(셀#1, 셀#2)은 수신기능을 처리하기 위한 셀들이고, 두 번째 열에 포함된 셀들(셀#3, 셀#4) 중 첫 번째 컬럼(column)(즉, 셀#3)은 송신기능을 처리하기 위한 셀이며, 각 셀의 내부 구조는 도 3에 예시된 바와 같은 경우의 예를 들어 설명할 것이다. In this case, below, the 2D array ultrasonic sensor of the present invention operates under the control of a controller (not shown), has a 2 x 2 array, and the cells (cells # 1 and ## 2) included in the first column have a reception function. The first column (ie, cell # 3) of the cells (cell # 3, cell # 4) included in the second column is a cell for processing a transmission function, and the inside of each cell The structure will be described by way of example in the case as illustrated in FIG. 3.

먼저, 송신 기능을 수행하기 위해, 단계 S100에서, 제어부(미도시)는 제1 초음파를 생성한다. 이를 위해, 제어부(미도시)는 고전압 드라이버(121)에서 고전압(15V)을 생성하도록 제어하며, 송신 기능을 수행할 단위 셀(셀 #3)이 포함된 로우(Row)의 모든 단위 셀들(셀 #3, 셀 #4) 내에 포함된 초음파 트랜스듀서 일단에 0V와 고전압을 오가는 펄스 신호가 인가된다. 그리고, 송신 기능을 수행할 단위 셀(셀 #3) 내의 초음파 트랜스듀서 타단을 접지시킨다. 즉, 도 3에 예시된 셀(200)이 셀 #3인 경우, 트랜스듀서(210)의 일단에 고전압 드라이버(121)에서 생성된 펄스 신호가 인가시키고, 트랜스듀서(210)의 타단을 접지시킨다. 이를 위해, 제어부(미도시)는 고전압 스위치(250) 및 제1 저전압 스위치(230)를 ‘온’시키고, 제2 저전압 스위치(240)는 ‘오프’시킨다. 한편, 제어부(미도시)는 송신 기능을 수행할 단위 셀(셀 #3)과 같은 로우(Row)로 연결되었지만, 송신 기능을 수행하지 않을 단위 셀(셀 #4)은 내부의 트랜스듀서 타단을 플로팅(floating)시킴으로써, 일단에 펄스 신호가 인가되더라도 해당 트랜스듀서가 고전압 드라이버의 부하로서 작용하지 않도록 한다. 예를 들어, 도 3에 예시된 셀(200)이 셀 #4인 경우, 제어부(미도시)는 트랜스듀서(210) 타단에 연결된 고전압 스위치(250)를 ‘오프’시킴으로써, 트랜스듀서(210)의 타단을 플로팅(floating)시킨다. 따라서, 셀 #3과, 셀 #4는 동일 로우(Row)에 연결되어, 고전압 드라이버(121)에서 생성된 고전압이 동일하게 인가되지만, 셀 #3의 경우만 제1 초음파를 생성하여 송신 셀로의 역할을 수행한다. First, in order to perform the transmission function, in step S100, the controller (not shown) generates the first ultrasound. To this end, the controller (not shown) controls the high voltage driver 121 to generate the high voltage 15V, and all unit cells (cells) in the row including the unit cell (cell # 3) to perform the transmission function. A pulse signal between 0 V and a high voltage is applied to one end of the ultrasonic transducer included in # 3 and cell # 4). The other end of the ultrasonic transducer in the unit cell (cell # 3) to perform the transmission function is grounded. That is, when the cell 200 illustrated in FIG. 3 is the cell # 3, the pulse signal generated by the high voltage driver 121 is applied to one end of the transducer 210, and the other end of the transducer 210 is grounded. . To this end, the controller (not shown) 'turns on' the high voltage switch 250 and the first low voltage switch 230 and turns off the second low voltage switch 240. Meanwhile, the controller (not shown) is connected to the same row as the unit cell (cell # 3) to perform the transmission function, but the unit cell (cell # 4) not to perform the transmission function is connected to the other end of the internal transducer. Floating ensures that the transducer does not act as a load for the high voltage driver even when a pulse signal is applied at one end. For example, when the cell 200 illustrated in FIG. 3 is cell # 4, the controller (not shown) may turn off the high voltage switch 250 connected to the other end of the transducer 210, thereby causing the transducer 210 to be turned off. Float the other end of. Accordingly, the cell # 3 and the cell # 4 are connected to the same row so that the high voltage generated by the high voltage driver 121 is equally applied. However, only the cell # 3 generates the first ultrasound to be transmitted to the transmitting cell. Play a role.

단계 S200에서는, 수신 기능을 수행할 단위 셀(셀 #1 및 셀 #2) 내의 초음파 트랜스듀서에서 상기 제2 초음파를 감지하고 그에 대응한 전기신호를 출력한다. 이를 위해, 제어부(미도시)는, 고전압 드라이버(120)의 출력값을 0V로 제어하고, 상기 수신 기능을 수행할 단위 셀(셀 #1 및 셀 #2) 내에 포함된 초음파 트랜스듀서의 일단에 상기 고전압 드라이버(120)의 출력값(0V)을 인가한다. 그리고, 상기 트랜스듀서의 타단에 상기 저잡음 증폭기의 입력단을 연결한다. 예를 들어, 도 3에 예시된 셀(200)이 셀 #1 또는 셀 #2인 경우, 제어부(미도시)는 트랜스듀서(210)의 일단에 고전압 드라이버(120)의 출력값(0V)을 인가하고, 고전압 스위치(250)와 제2 저전압 스위치(240)를 ‘온’, 제1 저전압 스위치(230)를 ‘오프’로 제어하여 트랜스듀서(210)의 타단과 저잡음 증폭기(220)의 입력단을 연결한다. In operation S200, the ultrasonic transducers in the unit cells (cells # 1 and # 2) to perform a reception function detect the second ultrasonic waves and output an electrical signal corresponding thereto. To this end, the controller (not shown) controls the output value of the high voltage driver 120 to 0V, and at one end of the ultrasonic transducer included in the unit cells (cell # 1 and cell # 2) to perform the reception function. The output value 0V of the high voltage driver 120 is applied. The other end of the transducer is connected to the input of the low noise amplifier. For example, when the cell 200 illustrated in FIG. 3 is cell # 1 or cell # 2, the controller (not shown) applies an output value (0V) of the high voltage driver 120 to one end of the transducer 210. In addition, the high voltage switch 250 and the second low voltage switch 240 are 'on' and the first low voltage switch 230 is controlled to 'off' so that the other end of the transducer 210 and the input terminal of the low noise amplifier 220 are controlled. Connect.

단계 S300에서는, 단계 S200에서 출력된 전기신호를 해당 단위 셀 내에 포함된 저잡음 증폭기(220)에서 증폭한 후 해당 단위 셀이 포함된 로우(Row)의 수신라인으로 전달한다. 예를 들어, 도 3에 예시된 셀(200)이 셀 #1 또는 셀 #2인 경우, 트랜스듀서(210)에서 수신되어 전기신호로 변환된 신호가 고전압 스위치(250)를 거쳐 저잡음 증폭기(220)로 전달되면, 저잡음 증폭기(220)는 그 신호를 증폭하여 제2 저전압 스위치(240)를 통해 수신라인(RX<0>)으로 전달한다. In operation S300, the electric signal output in operation S200 is amplified by the low noise amplifier 220 included in the corresponding unit cell, and then transferred to the low receiving line including the corresponding unit cell. For example, when the cell 200 illustrated in FIG. 3 is the cell # 1 or the cell # 2, the signal received by the transducer 210 and converted into an electrical signal is passed through the high voltage switch 250 to the low noise amplifier 220. ), The low noise amplifier 220 amplifies the signal and transfers the signal to the receiving line RX <0> through the second low voltage switch 240.

이와 같이 본 발명은 송신 기능을 위한 고전압을 발생시키는 고전압 드라이버는 2차원으로 배열된 단위 셀들 외부에 연결되고, 수신 기능을 위한 저잡음 증폭기는 상기 단위 셀들 내에 연결됨으로써, 저전압 특성을 향상시키면서 전력 소모를 최소화할 수 있다. 한편, 단위 셀 내부에 고전압 스위치를 하나만 사용함으로써, 셀 면적을 최소화하는데 유리하다.As described above, according to the present invention, a high voltage driver for generating a high voltage for a transmission function is connected to the unit cells arranged in two dimensions, and a low noise amplifier for a reception function is connected to the unit cells, thereby improving power consumption while improving low voltage characteristics. It can be minimized. On the other hand, by using only one high voltage switch inside the unit cell, it is advantageous to minimize the cell area.

도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 2D 배열 초음파 센서와 종래의 실시 예에 따라 구현된 2D 배열 초음파 센서의 동작 특성을 비교한 그래프이다. 특히, 도 5는 본 발명의 송신기 출력 파형(D)과 도 1의 (c)에 예시된 종래의 실시예에 따른 송신기 출력 파형(E)을 나타낸 모의실험 결과이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 송신기 출력 파형(D)의 경우 고전압 드라이버(High Voltage driver)의 부하(load)가 훨씬 작기 때문에, 도 1의 (c)에 예시된 종래의 실시예에 따른 송신기 출력 파형(E) 보다 더 빠른 라이징 타임(rising time)과 폴링 타임(falling time)을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이 때, 각 단위 셀의 부하(load)sms 50fF, 각 로우(Row) 당 20개의 단위 셀이 구현되는 것으로 모델링하였다. 전력 소모의 경우 도 1의 (c)에 예시된 종래의 실시예의 경우 18.57mW인 반면, 본 발명은 8.47mW로서, 전력 소모도 50%이상 크게 줄었음을 확인할 수 있다. 5 is a graph comparing operating characteristics of a 2D array ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention and a 2D array ultrasonic sensor implemented according to a conventional embodiment. In particular, Figure 5 is a simulation result showing the transmitter output waveform (D) of the present invention and the transmitter output waveform (E) according to the conventional embodiment illustrated in Figure 1 (c). Referring to FIG. 5, in the case of the transmitter output waveform D of the present invention, since the load of the high voltage driver is much smaller, the transmitter according to the conventional embodiment illustrated in FIG. It can be seen that it has a rising time and a falling time faster than the output waveform E. In this case, the load sms of each unit cell is modeled as 50fF and 20 unit cells are implemented for each row. In the case of the power consumption is 18.57mW in the case of the conventional embodiment illustrated in Figure 1 (c), the present invention is 8.47mW, it can be seen that the power consumption significantly reduced by more than 50%.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.

Claims (10)

3차원 영상 획득을 위해, 피사체로 제1 초음파를 송신하고 피사체로부터 반사된 제2 초음파를 수신하는 2차원 초음파 센서에 있어서,
m x n(이 때, m과 n은 2이상의 자연수 임)으로 배열되어, 상기 제1 초음파를 생성하거나 상기 제2 초음파를 수신하는 다수의 단위 셀들; 및
상기 m x n 배열의 로우(Row)들 각각에 대응되는 m개의 고전압 드라이버들을 포함하고,
상기 고전압 드라이버들 각각은,
대응되는 로우(Row)를 구성하는 n개의 단위 셀들로 전압을 인가하는 것이고,
상기 다수의 단위 셀들 각각은,
일단이 상기 고전압 드라이버의 출력단에 연결되어 상기 고전압 드라이버로부터 펄스 신호가 인가되면 상기 제1 초음파를 생성하고, 상기 제2 초음파가 수신되면 그에 응답하여 3차원 영상 획득을 위한 전기적 펄스를 생성하는 초음파 트랜스듀서;
상기 트랜스듀서에서 생성된 전기적 펄스를 증폭해서 출력하는 저잡음 증폭기;
상기 저잡음 증폭기의 입력단과 접지 사이의 연결을 제어하는 제1 저전압 스위치;
상기 저잡음 증폭기의 출력단과, 로우(Row)별로 다르게 형성된 수신라인들 중 해당 단위 셀이 포함된 로우(Row)의 수신라인 간 연결을 제어하는 제2 저전압 스위치; 및
상기 트랜스듀서의 타단과 상기 저잡음 증폭기의 입력단의 연결을 제어하는 고전압 스위치를 포함하고,
상기 제1 저전압 스위치의 일단은 상기 저잡음 증폭기의 입력단과 상기 고전압 스위치 사이에 연결되고,
상기 제1 저전압 스위치의 타단은 상기 접지와 연결되는 것을 특징으로 하는 2차원 초음파 센서.
In the two-dimensional ultrasonic sensor for transmitting the first ultrasonic wave to the subject and receiving the second ultrasonic wave reflected from the subject to obtain a three-dimensional image,
a plurality of unit cells arranged in mxn (where m and n are two or more natural numbers) to generate the first ultrasound or to receive the second ultrasound; And
M high voltage drivers corresponding to each of the rows of the mxn array,
Each of the high voltage drivers,
The voltage is applied to the n unit cells constituting the corresponding row,
Each of the plurality of unit cells,
An ultrasonic transformer, which is connected to an output terminal of the high voltage driver and generates a first ultrasonic wave when a pulse signal is applied from the high voltage driver, and generates an electrical pulse for acquiring a 3D image in response to receiving the second ultrasonic wave. Producer;
A low noise amplifier for amplifying and outputting an electrical pulse generated by the transducer;
A first low voltage switch controlling a connection between an input terminal of the low noise amplifier and a ground;
A second low voltage switch controlling a connection between an output terminal of the low noise amplifier and a reception line of a row including a corresponding unit cell among reception lines formed differently for each row; And
A high voltage switch controlling a connection between the other end of the transducer and an input end of the low noise amplifier,
One end of the first low voltage switch is connected between an input terminal of the low noise amplifier and the high voltage switch,
And the other end of the first low voltage switch is connected to the ground.
제1항에 있어서, 상기 2차원 초음파 센서는
미리 설정된 동작 프로그램 또는 외부 조작신호에 의거하여,
상기 m개의 고전압 드라이버들 각각의 출력값과, 상기 단위 셀을 구성하는 제1 및 제2 저전압 스위치와, 상기 고전압 스위치 각각의 온/오프를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 초음파 센서.
The method of claim 1, wherein the two-dimensional ultrasonic sensor
Based on a preset operation program or external operation signal,
And a control unit controlling an output value of each of the m high voltage drivers, first and second low voltage switches constituting the unit cell, and on / off of each of the high voltage switches. .
제2항에 있어서, 상기 제어부는
상기 m개의 고전압 드라이버들 각각의 출력값을 0V 또는 펄스 신호로 설정하되, 상기 m개의 고전압 드라이버들 각각의 출력값을 모두 동일하게 또는 선택적으로 동일하게 설정하는 것을 특징으로 하는 2차원 초음파 센서.
The method of claim 2, wherein the control unit
The output value of each of the m high voltage drivers is set to 0V or a pulse signal, and the output value of each of the m high voltage drivers is set to be the same or selectively the same.
제3항에 있어서, 상기 제어부는
수신기능을 처리할 단위 셀들로 구성된 로우(Row)에 대응된 고전압 드라이버의 출력값을 0V로 설정하고,
송신기능을 처리할 단위 셀들로 구성된 로우(Row)에 대응된 고전압 드라이버의 출력값은 펄스 신호로 설정하는 것을 특징으로 하는 2차원 초음파 센서.
The method of claim 3, wherein the control unit
Set the output value of the high voltage driver corresponding to the row consisting of unit cells to process the reception function to 0V,
2D ultrasonic sensor, characterized in that the output value of the high voltage driver corresponding to a row consisting of unit cells for processing the transmission function is set as a pulse signal.
제2항에 있어서, 상기 제어부는
상기 단위 셀들의 기능에 따라 해당 셀을 구성하는 제1 및 제2 저전압 스위치와, 상기 고전압 스위치 각각의 온/오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 2차원 초음파 센서.
The method of claim 2, wherein the control unit
And two on / off switches of the first and second low voltage switches constituting the corresponding cell and the high voltage switch according to the function of the unit cells.
제5항에 있어서, 상기 제어부는
상기 단위 셀들 중 수신기능을 처리할 단위 셀들의 고전압 스위치와 상기 제2 저전압 스위치를 ‘온’시키고, 상기 제1 저전압 스위치를 ‘오프’시키는 것을 특징으로 하는 2차원 초음파 센서.
The method of claim 5, wherein the control unit
2. The two-dimensional ultrasonic sensor of claim 1, wherein the high voltage switch and the second low voltage switch of the unit cells to process the reception function are 'on' and the first low voltage switch is 'off'.
제5항에 있어서, 상기 제어부는
상기 단위 셀들 중 송신기능을 처리할 단위 셀들의 고전압 스위치와 상기 제1 저전압 스위치를 ‘온’시키고, 상기 제2 저전압 스위치를 ‘오프’시키는 것을 특징으로 하는 2차원 초음파 센서.
The method of claim 5, wherein the control unit
2. The two-dimensional ultrasonic sensor of claim 1, wherein the high voltage switch and the first low voltage switch of the unit cells to process the transmission function are 'on' and the second low voltage switch is 'off'.
초음파 트랜스듀서와 저잡음 증폭기를 포함하는 단위 셀들을 2차원으로 배열하고, 상기 2차원 배열의 로우(Row)별로 대응되어 해당 로우(Row)의 단위 셀들에게 전압을 인가하는 고전압 드라이버들을 포함하여, 피사체로 제1 초음파를 송신하고 상기 피사체로부터 반사된 제2 초음파를 수신하는 제1항에 따른 2차원 초음파 센서의 3차원 영상 신호 획득 방법에 있어서,
상기 고전압 드라이버로부터 인가된 고전압에 응답하여, 송신 기능을 수행할 단위 셀 내의 초음파 트랜스듀서를 구동시켜 상기 제1 초음파를 생성하는 단계;
수신 기능을 수행할 단위 셀 내의 초음파 트랜스듀서에서 상기 제2 초음파를 감지하고 그에 대응한 전기신호를 출력하는 단계; 및
상기 전기신호를 해당 단위 셀 내에 포함된 저잡음 증폭기에서 증폭한 후 해당 단위 셀이 포함된 로우(Row)의 수신라인으로 전달하는 단계를 포함하되,
상기 제1 초음파 생성단계는,
상기 송신 기능을 수행할 단위 셀이 포함된 로우(Row)의 모든 단위 셀들 중 상기 송신 기능을 수행할 단위 셀을 제외한 다른 단위 셀 내의 초음파 트랜스듀서 타단을 플로팅(floating)시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 초음파 센서의 3차원 영상 신호 획득 방법.
Including a high-voltage driver for arranging unit cells including an ultrasonic transducer and a low noise amplifier in two dimensions and applying voltages to the unit cells of the corresponding row by corresponding to each row of the two-dimensional array, A method of acquiring a three-dimensional image signal of a two-dimensional ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the first ultrasonic wave is transmitted to the second ultrasonic wave and the second ultrasonic wave reflected from the subject is received.
In response to the high voltage applied from the high voltage driver, driving the ultrasonic transducer in the unit cell to perform the transmission function to generate the first ultrasound;
Sensing the second ultrasonic waves in an ultrasonic transducer in a unit cell to perform a receiving function and outputting an electrical signal corresponding thereto; And
Amplifying the electrical signal in a low noise amplifier included in a corresponding unit cell and transferring the electrical signal to a low receiving line including the corresponding unit cell;
The first ultrasonic wave generating step,
Floating the other end of the ultrasonic transducer in the other unit cell except the unit cell in which the transmission function is to be performed, among all the unit cells in the row including the unit cell in which the transmission function is to be performed. 3D image signal acquisition method of a two-dimensional ultrasonic sensor.
제8항에 있어서, 상기 제1 초음파 생성단계는
상기 송신 기능을 수행할 단위 셀이 포함된 로우(Row)의 모든 단위 셀들 내에 포함된 초음파 트랜스듀서의 일단에 펄스 신호를 인가하는 단계; 및
상기 송신 기능을 수행할 단위 셀 내의 초음파 트랜스듀서 타단을 접지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 초음파 센서의 3차원 영상 신호 획득 방법.
The method of claim 8, wherein the first ultrasonic wave generating step
Applying a pulse signal to one end of an ultrasonic transducer included in all unit cells of a row including a unit cell to perform the transmission function; And
And grounding the other end of the ultrasonic transducer in the unit cell to perform the transmission function.
제8항에 있어서, 상기 전기신호 출력단계는
상기 수신 기능을 수행할 단위 셀 내에 포함된 초음파 트랜스듀서의 일단에 0V의 전압을 인가하는 단계; 및
상기 트랜스듀서의 타단에 상기 저잡음 증폭기의 입력단을 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 초음파 센서의 3차원 영상 신호 획득 방법.
The method of claim 8, wherein the electrical signal output step
Applying a voltage of 0V to one end of an ultrasonic transducer included in a unit cell to perform the reception function; And
And connecting an input terminal of the low noise amplifier to the other end of the transducer.
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